煤損傷演化過程中的紅外輻射響應特征研究

杜園園，孫 海，馬立強，韓 杰，付 煜，李佳琦，王 偉

(1.遼寧石油化工大學 土木工程學院，遼寧 撫順 113001;2.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤體損傷演化是嚴重影響煤礦安全生產的煤柱失穩、沖擊礦壓等動力災害研究中亟待突破的基礎理論和共性問題[1-2]。研究結果表明，紅外熱成像技術(可實現無損、遙感探測)已成為確定煤體損傷破裂范圍、檢測煤巖損傷與疲勞強度，乃至進行礦井瓦斯突出、突水和巖爆預警預測的潛在有效手段[3-5]。

煤巖的損傷演化過程與其表面的紅外輻射響應信息緊密相關[6-7]。為了描述煤巖損傷演化過程中的紅外輻射現象，學者進行了煤巖不同加載方式下的紅外輻射監測試驗[8-10]，發現了煤巖損傷破裂過程中的紅外輻射時空分布特征，以及煤巖破壞失穩前的紅外輻射前兆。吳立新等[11]發現煤巖紅外輻射的變化特征與應力作用方式及應力狀態有關，并將塑性階段高應力區出現的平均紅外輻射溫度(AIRT)異常信息作為煤巖破壞前兆，并且嘗試探討了紅外前兆出現的機制。吳賢振等[12]發現了巖石破裂失穩的紅外溫度瞬時變化特征。馬立強等[13-14]發現了應力對紅外輻射的控制效應。上述研究成果對煤巖損傷演化過程中的紅外輻射特征后續研究奠定了基礎。煤樣不同損傷演化階段的損傷機制是不同的，紅外輻射響應特征和機制也會不同，需要分階段研究損傷演化的紅外輻射響應特征和機制。煤樣不同破壞形式下損傷演化與紅外輻射變化內在聯系的研究，是理解煤巖裂紋形成和擴展機理的必要基礎。

為此，筆者研究了煤樣不同破壞形式下各個損傷階段其表面AIRT和紅外熱像的響應特征，并嘗試揭示煤樣損傷演化的紅外輻射響應機制。研究成果將為礦井水害和煤巖動力災害紅外輻射遙感監測預警提供理論基礎與技術支持。

1 損傷試驗設計

1.1 試驗煤樣

試驗采用的煤樣由同一整塊煤體加工而成。按照《煤巖和巖石物理力學性質測定方法》，將煤塊加工尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體煤樣(13塊)，編號為Ai(i=1～13)。試驗前將煤樣放置在實驗室中，使煤樣的溫度與實驗室的溫度環境一致。

1.2 煤樣微觀結構

煤是典型的非均質各向異性體，自然狀態下其內部本身就存在微缺陷。微缺陷是煤樣物理力學性質的重要影響因素之一，在煤樣損傷演化過程中起決定性作用。采用Quanta TM 250電子掃描顯微鏡對試驗煤樣不同區域的微觀結構進行掃描觀察，可以發現煤樣內部的顆粒形狀和大小是不同的，且存在較多微裂紋(圖1a)和微孔洞(圖1b)。

圖1 煤樣不同區域的電鏡掃描照片Fig.1 SEM pictures of different regions of coal

1.3 試驗方法

圖2為煤樣單軸加載的紅外輻射和應變聯合監測系統。試驗加載設備采用MTS C64.106液壓萬能試驗機，最大載荷1 000 kN；應變測量設備采用TS3890N型號靜態電阻應變儀，分辨率10-6；紅外輻射觀測設備采用VarioCAM? HD head 800型號紅外熱像儀，空間分辨率1 240 pix×768 pix，熱靈敏度優于0.02 ℃，圖像采集速率為25 幀/s，光譜范圍7.5～14 μm。

試驗開始前，在煤樣與試驗機上下接觸面各布置層塑料薄膜，以減小試驗過程中的煤樣與壓頭間的摩擦力和熱傳導效應，既可降低端部效應，也不會改變加載煤樣的力學性能。

紅外熱成像技術監測煤樣損傷演化的試驗過程中，不可避免地存在各種噪聲的干擾。故試驗系統中需要設置參照煤樣，利用參照煤樣紅外輻射的噪聲對加載煤樣的紅外輻射信息進行去噪[15]。在承載煤樣的左右兩側平行放置參照煤樣，但不對參照煤樣進行加載，如圖2所示。A1～A11為加載煤樣，A12和A13作為參照煤樣。

圖2 試驗系統Fig.2 Experimental system diagram

試驗過程中禁止人員走動，關閉實驗室的窗戶、窗簾以及所有可以產生輻射的照明燈光源。試驗機以0.1 mm/min的等位移速率對煤樣進行加載。將紅外熱像儀放置在距煤樣正前方1 m處，采集速率為25 幀/s。同步記錄煤樣的紅外輻射以及應力應變信息，直至煤樣破壞失穩。

2 煤樣損傷演化階段

采用裂紋應變法確定壓密強度σcc和起裂強度σci，采用應變測量法確定損傷強度σcd[16]。煤樣的體積應變εv可表達為

εv=εve+εvc

(1)

式中:εve為彈性體積應變；εvc為裂紋體積應變。

根據胡克定律，煤樣單軸壓縮條件下的彈性體積應變和裂紋體積應變可表達為

(2)

(3)

式中：σ1為軸向應力；E為彈性模量；μ為泊松比。

起裂強度σci、損傷強度σcd和峰值強度σf表達煤樣不同損傷演化狀態，基于應力特征強度值，將煤樣損傷演化劃分為壓密階段、彈性階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋非穩定擴展階段和破壞階段。

3 煤樣損傷演化的紅外輻射響應特征

3.1 煤樣AIRT去噪效果

相比參照煤樣，加載煤樣AIRT沒有明顯變化特征(圖3a)。這是因為本底噪聲掩蓋了AIRT有效信號的變化趨勢，故必須對AIRT進行去噪。采用去噪模型校正后，參照煤樣AIRT呈水平波動狀態，加載煤樣AIRT變化特征明顯(圖3b)。表明去噪效果良好，可以進一步分析煤樣加載過程中的AIRT變化特征。

圖3 去噪前、后的A7表面平均紅外輻射溫度Fig.3 AIRT of sample A7 before and after denoising process

3.2 AIRT變化特征

1)剪切破壞型。圖4為煤樣剪切破壞形式下的應力-時間曲線和AIRT-時間曲線，煤樣損傷演化過程中AIRT呈階段性變化特征。壓密階段，AIRT呈水平波動(或緩慢小幅上升)。彈性階段，AIRT隨應力增加呈線性升高趨勢，AIRT平均增幅為0.05 ℃(表1)。裂紋穩定擴展階段，AIRT繼續升高，但升高速度下降。裂紋非穩定擴展階段，AIRT增幅最小(平均增幅0.03 ℃)。該階段部分時刻AIRT呈水平波動狀態，出現短暫“沉寂期”(圖4)。煤樣在破壞階段產生破裂面(引起應力降)，破裂面的微裂紋在壓剪應力作用下會相互擠壓、錯動滑移，導致破裂面產生大量摩擦熱效應，使得接觸面AIRT升高，因此該階段AIRT增幅最大(平均增幅0.05 ℃)。

圖4 煤樣剪切破壞形式下平均紅外幅射溫度變化特征Fig.4 Variation characteristics of AIRT undershear failure of coal

2)張拉破壞型。張拉破壞煤樣損傷演化過程中AIRT呈下降趨勢，如圖5所示。彈性階段，AIRT隨應力的增大呈下降趨勢，但個別煤樣AIRT隨應力的增大呈上升趨勢(圖5a)。與剪切破壞煤樣相同，張拉破壞煤樣AIRT在裂紋非穩定擴展階段降幅最小(平均降幅0.02 ℃)，且AIRT也出現短暫“沉寂期”(圖5)。隨后，煤樣失去承載能力，AIRT下降(平均降幅0.03 ℃)。

圖5 煤樣張拉破壞形式下平均紅外幅射溫度變化特征Fig.5 Variation characteristics of AIRT under tensile failure of coal

發生剪切破壞形式的煤樣居多，少量為拉伸破壞形式。相同煤樣在同樣的加載方式下出現了不同的破壞模式，其根本原因在于，一方面由于煤樣是非均質性的，相同加載條件下微裂紋的衍生和拓展規律都不一樣，導致裂紋累積成宏觀裂紋的結果也不一樣[17]；另一方面加工后的煤樣是不可能完全相同的，煤樣端部細微的差別會使得其兩端受壓過程中的切向力不一樣，導致了最終應力應變行為的差異性。對比張剪煤樣損傷演化各階段的AIRT變化幅度可知(表1)，煤樣AIRT在裂紋非穩定擴展階段變化幅度最小，破壞階段變化幅度最大。

表1 煤樣損傷演化各階段的AIRT變化幅度

圖6 煤樣剪切和張拉破壞模式Fig.6 Shearing and tensile failure modes of coal

3.3 紅外熱像的變化特征

1)剪切破壞型煤樣。以煤樣A8為例，分析其剪切破壞過程中各個損傷階段的紅外熱像演化特征，如圖7所示。從初始加載到彈性階段，煤樣的紅外熱像圖由黃色(低溫)逐漸變為深紅色(高溫)，呈均勻性、漸進升溫特征。穩定擴展階段，紅外熱像圖局部開始出現規則的異常條帶。非穩定擴展階段，紅外熱像圖出現顯著的異常區域(斜切式高溫區和低溫區域)，導致熱像圖溫度空間分布的離散程度突升。隨后煤樣破壞失穩，形成斜切的破裂面。穩定擴展階段和非穩定擴展階段，煤樣熱像圖出現的異常條帶均在最終破壞失穩時的主破裂面上。

圖7 煤樣A8剪切破壞形式下的紅外熱像變化特征Fig.7 Infrared thermal image change characteristics of sample A8 under shear failure

2)張拉破壞型煤樣。以煤樣A2為例，分析其張拉破壞過程中各個損傷階段的紅外熱像演化特征，如圖8所示。從初始加載到彈性階段，煤樣紅外熱像圖呈均勻性、漸進升溫特征。裂紋穩定擴展階段，煤樣紅外熱像圖整體出現降溫特征。該階段，在將要發生張拉破裂面的位置出現了小范圍高溫區，表明煤樣張拉破壞最初是以剪切或剪切滑移破壞的形式開始的。非穩定擴展階段，伴隨煤樣第1次應力降，紅外熱像圖同步出現低溫條帶和高溫區。隨后煤樣破壞失穩，形成張拉的破裂面。穩定擴展階段和非穩定擴展階段，煤樣熱像圖出現的異常條帶均在最終破壞失穩時的主破裂面上。

3)煤樣破壞的紅外輻射前兆。非穩定擴展階段，張剪破壞煤樣的紅外熱像圖出現了2種趨勢相反的熱效應(升溫熱效應和降溫熱效應)，這2種相反趨勢的熱效應相互抵消，導致AIRT曲線在煤樣破壞失穩前出現短暫“沉寂期”。因此，非穩定擴展階段AIRT曲線出現短暫“沉寂期”和紅外熱像出現的異常條帶，可作為煤樣破壞失穩的紅外輻射時空前兆。

圖8 煤樣A2張拉破壞形式下的紅外熱像變化特征Fig.8 Infrared thermal image change characteristics of coal sample A2 under tensile failure

4 煤樣損傷演化的紅外輻射響應機制

4.1 熱力耦合效應

煤在應力作用下會導致其內部礦物晶體發生位錯滑移、晶體形態改變，使得物理溫度發生改變，這種現象稱為熱力耦合效應(包含熱彈效應、摩擦熱效應以及裂紋擴展熱效應)[18]。煤損傷過程中，其發射率基本不變，根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，當煤自身物理溫度的變化時，紅外輻射信息也會發生變化[19-20]。

1)熱彈效應。單軸加載煤樣在彈性變形時是一個等熵可逆過程，物理溫度變化量(ΔT)與應力變化量(Δσ1)之間的關系為

(4)

式中：α為熱膨脹系數；Cp為定壓熱容；ρ為密度；T為物理溫度。

由式(4)可知，對于絕熱可逆過程，當加載煤樣應力變化量較小時，煤樣物理溫度變化量與應力變化量為線性關系，具體物理現象表現為壓應力使得煤樣升溫和張拉應力使得煤樣降溫。

2)摩擦熱效應。隨著煤樣局部區域的微裂紋密度增加到一定程度時，大量的微裂紋在應力集中部位集結為尺度較大的宏觀裂紋，當形成宏觀臨界尺度的局部弱化時，煤樣產生破裂面。對于剪切破壞形式煤樣，產生破裂面的位置，微裂紋在壓剪應力作用下會相互擠壓、錯動滑移，導致微裂紋接觸面產生摩擦熱效應而引起接觸面紅外輻射溫度升高。

3)裂紋擴展熱效應。煤樣裂紋擴展是一個非平衡的不可逆熱力學過程和能量耗散過程。裂紋擴展過程中遠離裂紋尖端的粘彈性區變形為塑性區，裂紋尖端附近的塑性區變形為過渡區。裂紋尖端變形過程中會同時伴隨能量的釋放，使得裂紋尖端位置呈高溫狀態[21-22]。

4.2 損傷演化不同階段的紅外輻射響應機制

熱彈效應、摩擦熱效應以及裂紋擴展熱效應，都可能會引起煤樣紅外輻射信息發生變化。煤樣損傷演化的不同階段，導致紅外輻射信息變化的主因不同。壓密階段，煤樣紅外輻射變化是由初始微裂紋閉合帶走熱量導致的。彈性階段，煤樣紅外輻射變化是由熱彈效應主導。裂紋穩定擴展階段和裂紋非穩定擴展階段，剪切破壞煤樣由摩擦熱效應和裂紋擴展熱效應主導；張拉破壞煤樣由張性變形產生的吸熱效應主導。

1)壓密階段。由于煤樣本身多孔、質脆，在應力作用下微裂紋閉合過程中原有氣體散出帶走了部分熱量，產生降溫熱效應。

2)彈性變形階段。煤樣內部絕大多數微元處于彈性變形狀態，紅外輻射溫度變化是由熱彈效應主導的。由式(4)可知對于絕熱可逆過程，煤樣紅外輻射變化量與應力變化量呈線性關系，表面紅外輻射溫度場呈整體性的均勻升降溫變化，具體物理現象表現為壓縮升溫和張拉降溫。由于煤樣內部的顆粒形狀和大小不同的，且存在較多微裂紋和微孔隙(圖1)，因此損傷演化過程中的熱彈效應較為復雜，即使同類型煤樣相同破壞形式、相同應力狀態下，AIRT變化幅度也不盡相同。

3)裂紋穩定擴展階段和非穩定擴展階段。煤樣發生張性變形過程中，內部微裂紋和微孔洞體積膨脹，氣體體積也會隨之膨脹。根據絕熱過程方程，如式(5)所示，氣體體積膨脹會導致煤樣物理溫度降低，使得煤樣張性變形產生吸熱效應[23]。

(5)

式中：T1為煤樣內部膨脹前物理溫度；T2為煤樣內部膨脹后物理溫度；V1為煤樣內部膨脹前體積；V2為煤樣內部膨脹后體積；γ為絕熱指數。

另一方面，當煤樣產生拉應力時，即Δσ1>0，根據熱彈效應公式，如式(4)所示，ΔT<0，即煤樣張性變形時物理溫度降低(吸熱效應)。

對于張拉破壞形式煤樣，其破裂面不發生摩擦、且破裂過程產生張性變形。張性變形會使煤樣體積擴張產生吸熱效應，使得張拉破裂面紅外輻射溫度降低[6]。

對于剪切破壞形式煤樣，一方面，破裂面在壓剪應力作用下相互擠壓、錯動滑移產生摩擦熱效應，因此破裂面處的紅外輻射溫度升高。圖9是煤樣剪切破壞面的摩擦熱效應(以熱像圖的形式體現)，剪切破裂面形成過程中產生了大量的摩擦熱，紅外熱像圖中的高溫條帶是煤樣剪切破裂面的空間表現，條帶的形成過程可以用來表征剪切破裂面發展的時空過程。摩擦熱效應與正應力的大小、摩擦速度、摩擦系數、微元強度及顆粒粗糙度有關，其中正應力的大小、煤樣微元強度及顆粒粗糙度是影響摩擦熱效應的重要因素，正應力越大、微元強度及顆粒粗糙度越高，產生的摩擦熱效應越強。另一方面，煤樣裂紋擴展是一個非平衡的不可逆熱力學過程和能量耗散過程，裂紋尖端變形過程中塑性功會以熱的形式釋放出來，使得裂紋尖端位置呈高溫狀態。裂紋尖端溫度會傳導至周圍，在裂紋尖端位置形成一定范圍的溫度場[21-22]。

圖9 煤樣A11剪切破壞面的摩擦熱效應Fig.9 Frictional heating at shear failure of sample A11

5 結 論

1)煤樣的紅外輻射響應特征與其破壞形式有關，剪切破壞煤樣AIRT總體呈上升趨勢，張拉破壞煤樣AIRT總體呈下降趨勢。

2)損傷演化各個階段，煤樣AIRT在裂紋非穩定擴展階段變化幅度最小(剪切破壞煤樣平均溫度增幅0.03 ℃；張拉破壞煤樣平均降幅0.02 ℃)，在破壞階段變化幅度最大。

3)煤樣破壞失穩前，張拉破壞和剪切破壞煤樣的紅外熱像圖中2種趨勢相反的熱效應(升溫熱效應和降溫熱效應)相互抵消，導致AIRT曲線在會出現“沉寂期”，這種現象可作為煤樣破壞失穩的紅外輻射前兆。

4)煤樣損傷演化的不同階段，導致紅外輻射信息變化的主因不同。彈性階段，煤樣紅外輻射信息變化是由熱彈效應主導。裂紋穩定擴展階段和裂紋非穩定擴展階段，剪切破壞煤樣由摩擦熱效應和裂紋擴展熱效應主導；張拉破壞煤樣由張性變形產生的吸熱效應主導。